Nature

编辑:薄荷绿℡ 2019-07-25 12:24:40

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哺乳动物的发育起源于受精卵,受精卵通过分裂,经历了2-cell、4-cell、8-cell、桑葚胚(Morula)再到囊胚(Blastocyst)阶段,称之为着床前胚胎(pre-implantation)。随后胚胎植入子宫壁,诱导子宫内膜蜕膜化(decidualization)预示着成功着床(implantation)。着床后胚胎通过原肠作用形成外胚层/内胚层和中胚层,不同胚层细胞相互作用,为胚胎形成结构复杂的器官奠定基础。

复杂的生命历程有着复杂的分子调节机制,为了研究这些复杂的科学问题, 科研人员研发了 体外培养体系 。类器官(Organoids)的出现,为研究器官形成和人类疾病发生等问题,打开了新的篇章。目前,类器官模型已经成功应用于许多器官模型的建立,如脑、肝、肾等。类器官模型在研究疾病发生和药物筛选方面发挥着重要的作用。

人工培育胚胎作为胚胎研究的类器官一直受到科学家的广泛关注:2016年,研究人员成功分离和培养了携带正常单倍染色体组型的人类胚胎干细胞系,为功能基因的筛选提供了平台【1】;随后,人类胚胎的体外培养突破了9天的记录,达到13天,这一成果有助于揭示人类胚胎发育过程中从未见过的特性【2】;2017年,科学家们利用CRISPR技术,成功培育出人-猪嵌合体胚胎【3】;此后剑桥大学Sarah等人首次在体外合成人造小鼠胚胎,类原肠胚结构第一次实现了胚胎体外的构建【4】。 利用胚胎干细胞诱导人工培育胚胎,不仅有利于了解早期胚胎发育的分子机制,而且能够帮助解释人类妊娠失败的原因。

5月3日,荷兰马斯特里赫特大学的Nicolas等人在Nature杂志上发表了题为Blastocyst-like structures generated solely from stem cell的研究成果,该研究实现了类囊胚(Blastoids)结构的胚胎体外构建,把胚胎体外构建时间向前推移了一大步。

该研究利用胚胎干细胞(ESC)和胚外滋养层干细胞(TSC)培育出类似于囊胚的结构,称之为“类囊胚”。研究发现,ESC与TSC的比例影响类囊胚的形成率,并在培育65h后与E3.5的正常胚胎直径大小相似,而且类囊胚腔的形成依赖于WNT和cAMP信号通路的激活【5,6】。

通过对类囊胚与正常胚胎转录因子的分析,发现类囊胚与正常囊胚相似,具有分化成胚胎干细胞,胚外滋养层干细胞和原始胚内干细胞的潜能。将类囊胚移植到假孕的小鼠体内,可以触发类似于胚胎植入子宫壁时发生的重塑事件,如子宫内膜蜕膜化以及与母体血管网络的建立,并表达Aldh3a1(在子宫内膜蜕膜化过程中由着床胚胎表达)【7】。

转录组学分析发现,类囊胚与E3.5正常胚胎相似,并且只有当胚内细胞发出信号诱导滋养层发育时,才能够诱导类囊胚的形成。单细胞转录组学分析揭示了大量的胚胎诱导物,如内细胞团(ICM)来源的FGF4与同时存在于胚内和胚外的IL-11共同够调控滋养层细胞的增殖与自我更新,以及滋养层细胞(TE)特异marker Cdx2的表达。

研究还发现TGFβ信号通路的activator BMP4和Nodal参与囊胚腔的形成与扩张并且调节滋养层上皮细胞的组成。 此外,BMP4和Nodal都可以上调转录因子Klf6的表达。通过Klf6敲除的滋养层干细胞研究发现,Klf6是BMP4和Nodal的重要靶基因并且介导了它们对滋养外胚层上皮细胞形成的调节。所以胚内细胞通过BMP4/Nodal-KIF6轴来控制滋养层上皮细胞的成熟以及形态的发生。

在正常发育中,滋养层会继续形成胎盘,该模型通过悬浮培养形成类似于囊胚的结构,并通过该类囊胚结构研究了胚内细胞和胚外细胞相互作用的分子机制。这些发现将有助于阐明胚内细胞和胚外细胞如何影响胚胎着床的发生和胚盘功能的建立,一定程度上有助于解释妊娠为什么会失败。该研究还是干细胞研究领域的一个重大突破,将推动在动物体内培育出可供移植的类器官。

参考文献

1. Sagi, I., et al., Derivation and differentiation of haploid human embryonic stem cells. Nature, 2016. 532(7597): p. 107-11.

2. Deglincerti, A., et al., Self-organization of the in vitro attached human embryo. Nature, 2016. 533(7602): p. 251-4.

3. Wu, J., et al., Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells. Cell, 2017. 168(3): p. 473-486 e15.

4. Ying, W., et al., Adipose Tissue Macrophage-Derived Exosomal miRNAs Can Modulate In Vivo and In Vitro Insulin Sensitivity. Cell, 2017. 171(2): p. 372-384 e12.

5. Manejwala, F., E. Kaji, and R.M. Schultz, Development of activatable adenylate cyclase in the preimplantation mouse embryo and a role for cyclic AMP in blastocoel formation. Cell, 1986. 46(1): p. 95-103.

6. Kemp, C., et al., Expression of all Wnt genes and their secreted antagonists during mouse blastocyst and postimplantation development. Developmental Dynamics, 2005. 233(3): p. 1064-1075.

7. McConaha, M.E., et al., Microarray assessment of the influence of the conceptus on gene expression in the mouse uterus during decidualization. Reproduction, 2011. 141(4): p. 511-27.

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